Так как степень отрицательного воздействия влажностных деформаций древесного заполнителя на прочность арболита во многом определяется его сцеплением с цементным камнем, то изучать влияние этих факторов на прочностные характеристики арболита целесообразно во взаимосвязи. При изучении контактной зоны мы исходили из предположения, что при нормированных расходах портландцемента (260—390 кг на 1 мЗ) и большой удельной поверхности заполнителя прочность арболита обеспечивается сцеплением цементного камня с древесным заполнителем, а защемление его растворной частью (цементным камнем) может быть практически минимальным. Для оценки структуры конгломерата типа арболита с заполнителем, имеющим форму пластинок, толщина клеевой прослойки цементного камня — каркаса, значит больше, чем в случае, когда заполнитель в бетоне имеет примерно шаровидную форму, так как контакт между такими зернами носит точечный характер. Поэтому при изучении контактной зоны нами сделана попытка определить расчетным путем толщину прослойки цементного камня в структуре арболита.
Толщину прослойки цементного камня в контактной зоне в структуре арболита приближенно (без учета проникания геля в поры древесины) можно определить с помощью предложенного нами эмпирического выражения [29]
где Ц и Д - соответственно расход цемента и древесной дробленки, кг на 1 мЗ арболита; а — коэффициент, учитывающий технологические свойства древесноцементной композиции; ρц - средняя плотность цемента, кг/мЗ; К — выход цементного теста нормальной густоты, в частях от единицы; Fуд — удельная поверхность древесной дробленки, м2/кг.
В наших исследованиях а, К, ρц, и Fуд имели следующие значения: а = 1,25; К = 0,5; ρц = 1198 кг/мЗ; Fуд1 = 2,57 м2/кг; Fуд2 = 3,01 м2/кг; Fуд3 = 3,45 м2/кг; Fуд4 = 4,79 м2/кг; Fуд5 = 17,56 м2/кг.
Удельную поверхность древесных частиц (Fуд, см2/г) заполнителя определяли по известной методике и по формуле, учитывающей поверхность кромок и торцов
где ρ — средняя плотность древесины, г/смЗ; l, b, a — соответственно длина, ширина и толщина единичного объекта, см.
Расчетная толщина прослойки цементного камня в структуре арболита различных марок (ГОСТ 19222-73) при нормированном расходе портландцемента, регламентированном "Руководством 6-74", и при использовании древесного заполнителя с постоянной удельной поверхностью (4,79 м2/кг) имеет близкие значения и зависит от Д/Ц (древесноцементного) отношения. При Д/Ц = 0,62-0,66 толщина прослойки цементного камня составляет 0,173-0,187 мм, а при Д/Ц=0,55-0,61 соответственно 0,188-0,209 мм.
Проведенные эксперименты при одном и том же составе арболитовой смеси по массе, например, применительно к марке М35, но при разной удельной поверхности древесного заполнителя (от 17,56 до 2,57 м2/кг), а следовательно, и разной толщине прослойки цементного камня в структуре, показали, что прочность арболитовых образцов существенно различается; значение ее приведено в табл. 10.
Из экспериментальных данных следует (см. табл. 10), что при уменьшении удельной поверхности древесного заполнителя до некоторого предела прочность арболита растет. Снижение же прочности при значительной крупности заполнителя (при Руд = 2,57 м2/кг) отчасти может быть объяснено влиянием больших влажностных деформаций, вызывающих развитие напряжений в контактных зонах в процессе твердения и сушки арболита. При использовании мелкой фракции снижение прочности объясняется значительным уменьшением толщины цементных прослоек в структуре (до 0,054 мм) из-за большой удельной поверхности заполнителя.
Таблица 10. Влияние удельной поверхности древесного заполнителя – дробленки и толщины прослойки цементного камня на прочность при сжатии арболита
Расход компонентов, кг/м3
Удельная поверхность заполнителя, м2/кг
Толщина прослойки (расчетная), мм
Прочность при сжатии, МПа
портландцемент
дробленка
вода
CaCl2
390
230
390
8
2,57
0,365
2,89
390
230
390
8
3,01
0,311
3,98
390
230
390
8
345
0,272
3,79
390
230
230
8
4,79
0,196
3,52
390
230
390
8
17,56
0,054
2,41
Исследования обнаружили существенное влияние удельной поверхности древесного заполнителя на толщину клеевой прослойки (от 0,365 до 0,054 мм) и структурно-механические показатели арболита. Зависимость толщины клеевой прослойки цементного камня от удельной поверхности древесного заполнителя, ее влияние на предел прочности арболита при статическом сжатии представлена на рис. 8 и 9. Так, прочность арболита на заполнителе оптимальной фракции при удельной поверхности (3,01 м2/кг) на 1,55 МПа превышает прочность арболита такого же состава на мелкой фракции (17,56 м2/кг), что составляет 42,8% марочной прочности арболита М35.
Рис.8. Влияние удельной поверхности древесного заполнителя на расчетную толщину прослойки цементного камня в контактной зоне арболита
Рис.9. Влияние расчетной толщины прослойки цементного камня на прочность арболита при сжатии при постоянном составе компонентов и изменении удельной поверхности заполнителя в пределах от 17,56 до 2,57 м2/кг.
Определенная с помощью предложенного нами выражения (4) толщина прослойки между отдельными частицами древесного заполнителя и исследования под микроскопом с помощью окулярного и объективного микрометров подтвердили предположение о том, что при нормированном расходе портландцемента растворная часть цементного теста расходуется только на проклейку частичек, а защемление их практически несущественно. Толщина прослоек цементного камня в структуре арболита для средней фракции с удельной поверхностью 3,45—4,79 м2/кг составляет 0,19—0,27 мм. Для сравнения отметим, что в крупнопористых бетонах на минеральных заполнителях толщина прослойки в контактной зоне находится в пределах 1—2 мм, т.е. в 6—10 раз превышает эту величину в структуре арболита. Таким образом арболит можно рассматривать как конгломерат крупнопористой структуры с контактирующим заполнителем. Прочность и стойкость такого бетона в значительной степени обусловливаются силами сцепления между заполнителем и цементным камнем и прочностью каркаса в структуре арболита.
Для изучения характера сцепления цементного камня с древесиной на микроскопическом уровне и для проверки предположения, высказанного проф. И.А. Кириенко [19] при изучении сцепления бетона с деревянной арматурой о возможном проникании геля цемента в поры древесины, мы провели исследования контактной зоны модели типа "M1" (две деревянные пластины с прослойкой из цементного камня) и отколов арболита, а также микросрезов, полученных с помощью замораживающего микротома.
Контактную зону (древесный заполнитель — цементный камень) изучали с помощью растровой электронной микроскопии. Напыленные серебром толщиной 150—200 А образцы исследовали визуально при увеличении в 26-1300 раз, а наиболее интересные участки фотографировали. В наших исследованиях энергия электронов падающего пучка на образец составила 20 кэВ при силе тока 10-10-10-11 А . Рабочий вакуум в камере для образца составлял 1,333∙10-3 Н/м2.
Характерной особенностью состояния адгезива — цементного камня — является его рыхлая структура, чем можно объяснить когезионный характер разрушения структуры арболитовых образцов при их испытании. Исследования под микроскопом с помощью окулярного и объективного микрометров, показали, что толщина прослойки цементного камня в отколах арболита при расходе портландцемента 360-390 кг на 1 мЗ и при удельной поверхности древесного заполнителя 4,5—5 м2/кг в среднем не превышает 0,2-0,3 мм, что подтверждает справедливость предложенного выражения (5).
При изучении проникания цементного геля (цементного камня) в древесину, микросрезы на разном удалении от контактного слоя были получены с помощью замораживающего микротома модели "X", который позволил исключить выкрашивание из микропор затвердевших частиц геля цементного камня. В проведенных экспериментах толщина срезаемых слоев древесного заполнителя не превышала 10-20 мкм. Как видно из рис. 10 (поперечный срез ели), следы проникания цементного геля наблюдаются в клетках (трахеидах) в зоне ранней древесины. Для сравнения представлена микрофотография (рис. 11), заимствованная у Н.Л. Коссовича. Преимущественное проникание цементного геля в трахеиды ранней древесины ели и сосны может быть объяснено анатомическим строением древесины. Трахеиды ранней части квадратные, пяти- или шестигранные по форме, имеют широкие полости, размером в поперечнике около 30 мкм. В поздней части трахеиды округло-прямоугольные, с узкими полостями размером 10 мкм и стенками толщиной от 3,5 до 6,1 мкм. Длина трахеид достигает 2—3 мм. Как показало изучение под микроскопом, цементный камень (цементный гель) проникает на глубину 1-1,5 мм, т.е. на половину длины клеток трахеид. Это подтверждает участие механических сил сцепления в адгезии цементного камня с древесиной.
Рис.10. Поперечный микросрез, полученный с помощью замораживающего микротома. В клетках виден цементный камень
Рис.11. Поперечный срез древесины ели, не обработанный цементным гелем. Полости клеток свободны
3. Влияние различных факторов на адгезионную прочность системы "древесина — цементный камень"
При изучении влияния различных факторов на адгезионную прочность системы "древесина — цементный камень" учитывалось, что адгезионные соединения, отличающиеся только формой, могут существенно отличаться по адгезионной прочности, хотя молекулярная связь между адгезивом (цементный камень) и субстрактом (древесина) одинакова [6]. Поэтому моделями заполнителя в данных исследованиях служили образцы-пластины размером 20x20x40 мм, которые по коэффициенту формы близки к используемым фракциям древесного заполнителя. Экспериментально выявлена зависимость адгезионной прочности от толщины прослойки цементного камня и шероховатости поверхности (класса чистоты обработки) модели древесного заполнителя.
При заданных условиях все образцы обрабатывали раствором СаСl2; для строганых пластин наибольшая величина сцепления древесины с цементным камнем достигалась при толщине прослойки 0,3—0,4 мм. При толщине прослойки цементного камня 0,4 мм у моделей со строгаными пластинами как сцепление с цементным камнем, так и предельная растяжимость были несколько больше, чем у моделей с колотыми пластинами.
Для колотых образцов наибольшее значение сцепления достигается при толщине клеевой прослойки 0,6 мм. В более толстых прослойках, по-видимому, проявляются большие усадочные деформации. Как показали эксперименты с ростом шероховатости поверхности адгезионная прочность сцепления древесины с цементным камнем увеличивается. Повышение адгезионной прочности, по-видимому, связано с появлением большого числа активных центров, увеличением истинной площади контакта и механическим сцеплением ворсинок и углублений, выполняющих функцию своеобразных шпонок и заклепок. Однако, когда шероховатость достигает некоторого предела (при высоте гребня больше 0,4 мм), в колотых образцах прочность сцепления снижается, видимо, из-за нарушения сплошности клеевой прослойки, вследствие внедрения в нее отдельных крупных гребней, т.е. нарушается одна из главных особенностей оптимальной структуры. В дальнейшем при изучении возможности повышения адгезионной прочности сцепления элементов моделей арболита во всех экспериментах толщина клеевой прослойки (цементного камня) для строганых пластин принималась 0,3 мм.
Данные об адгезионном сцеплении древесины с цементным камнем, приведенные исследователями [9, 11, 18, 40, 59] (см. табл. 9), различаются из-за отсутствия учета специфических особенностей анатомического строения пород древесины. Поэтому при исследовании адгезионной прочности по предлагаемой нами методике учитывается: характер поверхности, направление среза склеиваемых поверхностей (радиальный, тангенциальный срезы), направление волокон и площадь, занимаемая поздней древесиной на склеиваемых поверхностях пластин моделей, а также условия изготовления и хранения (под свободно перемещаемым пригрузом в накопителе, рис. 12), исключающие влияние на процессы формирования адгезионного соединения влажностных деформаций (в первый период разбухания, а затем усушки).
Рис.12. Накопитель со свободно перемещаемым пригрузом для склеивания моделей древесного заполнителя. Слева направо: пригруз постоянной массы; пригруз меняющейся массы; накопитель в сборе; накопитель с образцами в нагруженном состоянии
Испытание образцов моделей первого и второго типа осуществлялось на универсальном приборе, разработанном в ЦНИИЭПсельстрое. Исследования показали, что сопротивление отрыву в моделях тангенциального среза на 30-40% больше, чем у моделей радиального среза. Это можно объяснить неодинаковой сцепляемостью с цементным камнем ранней и поздней древесины, а при одинаковой площади, занимаемой поздней древесиной, более равномерным распределением ее на тангенциальном срезе.
С увеличением площади поздней древесины на склеиваемых поверхностях моделей заполнителя наблюдается значительное снижение адгезионной прочности, что объясняется, повидимому, более низкой сцепляемостью этих участков с цементным камнем и возможностью развития значительных влажностных деформаций из-за повышенной плотности поздней древесины. При изучении характера отрыва адгезионного соединения моделей арболита было обнаружено, что адгезионная прочность моделей тангенциального среза древесины на склеиваемых поверхностях больше, чем у моделей той же породы радиального среза, что можно объяснить большим содержанием поздней древесины на поверхностях пластин. Для моделей с тангенциальным срезом склеиваемых поверхностей из разных пород древесины адгезионная прочность различна: у ели она выше, чем у сосны вследствие различного содержания ранней и поздней древесины. Так, у ели площадь поздней древесины в тангенциальном срезе составляет 13%, а у сосны - 30%.
В большинстве испытанных на отрыв моделей на участках поздней древесины наблюдается адгезионный вид разрушения, тогда как на участках ранней древесины разрушение смешанное или когезионное (по древесине или цементному камню). Поэтому адгезионная прочность, получаемая при испытании моделей может быть принята как усредненная величина сцепления на участках ранней и поздней древесины. Таким образом, для получения сопоставимых результатов нельзя говорить об адгезионной прочности для композиции "древесина — цементный камень", не указав, какую площадь занимает поздняя древесина на склеиваемой поверхности и какова шероховатость поверхности.
где Ц и Д - соответственно расход цемента и древесной дробленки, кг на 1 мЗ арболита; а — коэффициент, учитывающий технологические свойства древесноцементной композиции; ρц - средняя плотность цемента, кг/мЗ; К — выход цементного теста нормальной густоты, в частях от единицы; Fуд — удельная поверхность древесной дробленки, м2/кг.
В наших исследованиях а, К, ρц, и Fуд имели следующие значения: а = 1,25; К = 0,5; ρц = 1198 кг/мЗ; Fуд1 = 2,57 м2/кг; Fуд2 = 3,01 м2/кг; Fуд3 = 3,45 м2/кг; Fуд4 = 4,79 м2/кг; Fуд5 = 17,56 м2/кг.
Удельную поверхность древесных частиц (Fуд, см2/г) заполнителя определяли по известной методике и по формуле, учитывающей поверхность кромок и торцов
где ρ — средняя плотность древесины, г/смЗ; l, b, a — соответственно длина, ширина и толщина единичного объекта, см.
Расчетная толщина прослойки цементного камня в структуре арболита различных марок (ГОСТ 19222-73) при нормированном расходе портландцемента, регламентированном "Руководством 6-74", и при использовании древесного заполнителя с постоянной удельной поверхностью (4,79 м2/кг) имеет близкие значения и зависит от Д/Ц (древесноцементного) отношения. При Д/Ц = 0,62-0,66 толщина прослойки цементного камня составляет 0,173-0,187 мм, а при Д/Ц=0,55-0,61 соответственно 0,188-0,209 мм.
Проведенные эксперименты при одном и том же составе арболитовой смеси по массе, например, применительно к марке М35, но при разной удельной поверхности древесного заполнителя (от 17,56 до 2,57 м2/кг), а следовательно, и разной толщине прослойки цементного камня в структуре, показали, что прочность арболитовых образцов существенно различается; значение ее приведено в табл. 10.
Из экспериментальных данных следует (см. табл. 10), что при уменьшении удельной поверхности древесного заполнителя до некоторого предела прочность арболита растет. Снижение же прочности при значительной крупности заполнителя (при Руд = 2,57 м2/кг) отчасти может быть объяснено влиянием больших влажностных деформаций, вызывающих развитие напряжений в контактных зонах в процессе твердения и сушки арболита. При использовании мелкой фракции снижение прочности объясняется значительным уменьшением толщины цементных прослоек в структуре (до 0,054 мм) из-за большой удельной поверхности заполнителя.
Таблица 10. Влияние удельной поверхности древесного заполнителя – дробленки и толщины прослойки цементного камня на прочность при сжатии арболита
Рис.12. Накопитель со свободно перемещаемым пригрузом для склеивания моделей древесного заполнителя. Слева направо: пригруз постоянной массы; пригруз меняющейся массы; накопитель в сборе; накопитель с образцами в нагруженном состоянии
Испытание образцов моделей первого и второго типа осуществлялось на универсальном приборе, разработанном в ЦНИИЭПсельстрое. Исследования показали, что сопротивление отрыву в моделях тангенциального среза на 30-40% больше, чем у моделей радиального среза. Это можно объяснить неодинаковой сцепляемостью с цементным камнем ранней и поздней древесины, а при одинаковой площади, занимаемой поздней древесиной, более равномерным распределением ее на тангенциальном срезе.
С увеличением площади поздней древесины на склеиваемых поверхностях моделей заполнителя наблюдается значительное снижение адгезионной прочности, что объясняется, повидимому, более низкой сцепляемостью этих участков с цементным камнем и возможностью развития значительных влажностных деформаций из-за повышенной плотности поздней древесины. При изучении характера отрыва адгезионного соединения моделей арболита было обнаружено, что адгезионная прочность моделей тангенциального среза древесины на склеиваемых поверхностях больше, чем у моделей той же породы радиального среза, что можно объяснить большим содержанием поздней древесины на поверхностях пластин. Для моделей с тангенциальным срезом склеиваемых поверхностей из разных пород древесины адгезионная прочность различна: у ели она выше, чем у сосны вследствие различного содержания ранней и поздней древесины. Так, у ели площадь поздней древесины в тангенциальном срезе составляет 13%, а у сосны - 30%.
В большинстве испытанных на отрыв моделей на участках поздней древесины наблюдается адгезионный вид разрушения, тогда как на участках ранней древесины разрушение смешанное или когезионное (по древесине или цементному камню). Поэтому адгезионная прочность, получаемая при испытании моделей может быть принята как усредненная величина сцепления на участках ранней и поздней древесины. Таким образом, для получения сопоставимых результатов нельзя говорить об адгезионной прочности для композиции "древесина — цементный камень", не указав, какую площадь занимает поздняя древесина на склеиваемой поверхности и какова шероховатость поверхности.
